[發明專利]一種亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦方法

有效

• 申請號: 201410324503.4
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104070422A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 張振宇;王博;康仁科;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B24B7/22;B28D5/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于脆性晶體超精密加工技術領域，涉及脆性晶體超精密磨削的加工方法，特別涉及一種亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦方法。

背景技術

硬脆晶片如硅片、藍寶石、氧化鎂、碳化硅，廣泛應用于軍事、國防、航空、航天等領域，這些硬脆晶片在成為高性能器件基片以前，一般經歷拉單晶、線鋸切割成晶片、樹脂結合劑砂輪磨削、化學機械拋光等工藝。傳統的樹脂結合劑砂輪磨削，由于磨削損傷層較厚，容易導致硬脆晶片的崩邊、破碎、劃痕等加工缺陷。對于硅片硬脆晶片，化學機械拋光后，還要生長電路，保護后再進行背面減薄，由于樹脂結合劑的損傷層厚，減薄時容易造成硅片的翹曲、破碎等加工缺陷。雖然傳統加工有缺點，但是硬脆晶片的高性能基片要求超精密加工后，硬脆晶片表面無加工損傷、表面粗糙度R_a<1nm，微米級平面度。傳統的樹脂結合劑砂輪難以達到高性能基片的超精密加工的要求。為了開發新型的超精密加工方法，就要對超精密磨削的基本原理進行研究，即亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦方法。

目前研究砂輪的單顆粒劃擦方法主要有兩種：一種是研究砂輪的磨粒磨損，另一種是采用準靜態加載的方法模擬砂輪的磨粒壓入及劃擦實驗方法。平面磨削的砂輪的尺寸一般為幾百毫米，難以直接放入真空腔中進行掃描電鏡表征。普通的光學顯微鏡由于離開焦平面后成像模糊，獲得清晰的砂輪微觀形貌圖像較為困難，而且#3000砂輪的磨粒尺寸為5微米，光學顯微鏡難以分辨。另一方面，砂輪磨削前后的同一顆粒難以找到，有的已經脫落，有的已經磨損，尤其對于粒度高的細磨粒砂輪，更為困難。此外，砂輪由于高速旋轉，磨削后的工件表面是多個磨粒往復磨削而不是單個磨粒單次磨削的結果。因此，人們采用準靜態加載的方法研究砂輪磨粒的納米深度壓入及劃擦實驗，即納米壓痕和納米劃痕方法分別模擬砂輪壓入及劃擦過程。但是，砂輪的超精密磨削的速率一般為20-50m/s，而納米壓痕和劃痕的速率為一般為μm/s量級，與真實的超精密磨削的速率相去甚遠。

發明內容

本發明的目的是采用亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖，實現脆性晶片納米深度高速劃擦方法。

本發明的技術方案是樣品為硅片、藍寶石、氧化鎂、碳化硅晶片，采用天然金剛石為針尖原料，將天然金剛石用高頻焊接的方法固定在金屬桿體上，磨具開始為金剛石砂輪，最終用鑄鐵盤，磨具轉速為30-60m/s,磨削進給量為200nm-2μm/s。單顆粒金剛石針尖曲率半徑為50-950納米，針尖形狀為圓錐、三棱錐和四棱錐。在超精密平面磨床上，納米深度高速劃擦時金剛石針尖的速率為1.7-40.2m/s，利用硅片的平面度和磨床的端面跳動的組合偏差，完成亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦實驗。

樣品為硅片、藍寶石、氧化鎂、碳化硅晶片。硅片作為半導體領域的壟斷材料，在半導體芯片制造中具有舉足輕重的作用。藍寶石廣泛應用于光電窗口，氧化鎂用作高溫超導體薄膜的襯底材料。碳化硅晶片具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，是半導體領域最有前景的材料之一，也是發光二極管和激光二極管的理想襯底材料，是光電行業的關鍵基礎材料之一。這四種脆性晶體具有優異的性能，在各自的領域具有非常重要的應用，因此，選擇這四種脆性晶體作為典型的亞微米曲率半徑單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦實驗的樣品。

采用天然金剛石為針尖原料，重量為0.1-0.2克拉，將天然金剛石用高頻焊接的方法用鎳基、鐵基、或鈷基合金粉末固定在金屬桿體上。天然金剛石相比于人工金剛石來說，強度更好，組織更加均勻，金剛石內氣泡少，裂紋少，因此相對于人工金剛石能承受更好的力和熱的沖擊作用，因此作為單顆粒金剛石針尖納米深度高速劃擦的首選材料。考慮天然金剛石的成本和加工難度，選擇0.1-0.2克拉的天然金剛石比較合適。天然金剛石在磨削加工的過程中，要承受較大的磨削力的作用，因此要將天然金剛石焊接在金屬桿體上。采用較為常用的鎳基、鐵基、鈷基合金粉末將天然金剛石焊接在金屬桿體上。這種合金粉末的強度較純金屬要高很多，因此考慮選擇鎳基、鐵基或者鈷基的一種作為焊接粉末。